燃烧学总结

1燃烧学总结第一章绪论1.燃烧的定义：燃料和氧化剂两种组分在空间发生强烈放热化学反应的过程叫做燃烧。第二章燃料1.成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用过程和煤化作用。2.煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级。3.燃料的元素分析：•固体、液体燃料的成分：元素分析成分的构成：碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分。•气体燃料的成分：气体的分子式煤中碳、氢、氧主要以芳香族结构，脂肪族结构以及脂环族结构存在。碳是燃料中主要的可燃元素，含碳量高的煤难以着火、燃尽，但其发热量都较高。氢是热值最高且最有利于燃烧的元素，随着碳化程度的加深，煤中的氢元素含量减少。氧是不可燃元素，含氧量随碳化程度的加深会较少。氮通常情况下不可燃，煤中的氮主要以有机氮的形式存在。硫是可燃元素，但热值很低，存在形式包括有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。灰分不可燃，属于矿物杂质。影响：使燃料发热量少；着火、燃烧困难；积灰、结渣；影响传热磨损受热面；污染环境。按灰分的来源可分为：内部灰分：生成煤时混入，混合均匀；外部灰分：开采、运输时混入，分布不均匀。水分不可燃，属于杂质。影响：燃料的发热量；着火、燃烧过程吸热，降低燃烧温度；排烟热损失；受热面腐蚀；制粉、干燥和运输。水分构成：外部水分（表面水分）、内部水分（固有水分）、化合水分（结晶水）。4.燃料的成分分析根据水分及灰分变化分为四个计算基准：2各基准之间换算：水分的换算公式为：Mt=Mout+Mad（100-Mout）/100其中Mt、Mout、Mad—燃料中的全水分、外在水分和内在水分，%。5.煤的工业分析工业分析构成：成分（水分、灰分、挥发分和固定碳）、发热量、灰熔点挥发分：在高温条件下煤有机质分解的产物，不是自然存在于煤中的。析出温度和析出量对燃烧过程影响很大，成为判别煤着火特性的重要指标之一焦炭：煤析出挥发分、水分后得到的固态物质称为焦炭=灰分+固定碳煤的焦结性：焦炭粘接程度称为煤的焦结性3灰熔点：测定方法：角锥法；根据融化状态不同，分为变形温度、软化温度和熔化温度发热量：单位质量或者单位体积的燃料，在完全燃烧情况下所释放出的热量。高位发热量Qgr包括烟气中水蒸汽凝结时放出的热量。低位发热量Qnet扣除烟气中水蒸汽凝结时放出的热量。可磨性：可磨性系数-标准煤与试样煤由相同粒度磨制到相同细度所消耗的电量之比磨损指数6.按干燥无灰基挥发分含量的简单分类7.液体燃料特性•恩氏粘度：表征油的输送和雾化难易程度；•闪点：在大气压力下，用火焰在油面上掠过，油面出现短促的蓝色闪光的最低温度，称为闪点。储油罐内的油温应低于闪点温度。•燃点：燃油被加热到用外来火焰能点着，且能使燃烧时间持续5s以上的最低油温。燃点一般比闪点高10~30℃。•凝固点：燃油失去流动状态时的温度。以试管中的油倾斜45º，发生流动的温度来确定。•相对密度：指20℃时单位体积内油的质量与4℃的单位体积水的质量之比，用符号d204来表示。例题1.2.43.第三章燃烧化学基础1.化合物的生成焓和反应焓化合物的生成焓：当化学元素在化学反应中构成一种化合物时转变中生成的能称之为化合物的生成焓kJ/mol标准摩尔生成焓：各化学元素在恒压条件下形成1mol的化合物所产生的焓的增量,选择温度是298.15K，压力是101.325kPa；；放热为负，吸热为正反应焓：在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物时，放出或者吸收的热量标准摩尔反应焓：在标准压力、任何温度下，几种单质或化合物的相互反应生成产物时，放出或者吸收的热量。；kJ/mol2.拉瓦锡-拉普拉斯定律：化合物分解成为组成它的元素所要求供给的热量和由元素生成化合物产生的热量相等，即化合物的分解热等于它的生成焓。3.盖斯求和定律：化学反应中不管过程是一步或多步进行，其产生或吸收的净热量是相等的。54.基尔霍夫定律：定压下反应焓随温度的变化率等于生成物和反应物的比热差。5.燃烧热（燃烧焓）：1mol的燃料完全燃烧释放的热量称为化合物的燃烧热。6.绝热燃烧温度：燃料在绝热条件下完全燃烧所能达到的温度称为绝热燃烧温度，又称为绝热火焰温度，理论燃烧温度Tf7.化学反应的分类简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。基元反应：反应物分子在有效碰撞中相互作用直接转化为产物的化学反应。复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是要通过生成中间产物的许多反应步骤来完成，其中每一步反应称为基元反应。8.质量作用定律：阿累尼乌斯定律：对于燃烧反应，化学反应速率常数k与反应温度有关k=k0e(-E/RT)9.典型复杂反应对峙反应：在正反两个方向上都能进行的反应叫做对峙反应。平行反应：反应物同时平行地进行的不同反应称为平行反应。6连续反应：有很多化学反应是经过连续几步才完成的，前一步的生成物是下一步的反应物10.温度、光照、催化剂、浓度等对化学反应速率有影响温度对反应速率的影响：压力对反应速率的影响：对n级反应，v正比于p的n次方711.由非活化分子转变为活化分子所需要的能量就是活化能kJ/mol12.反应级数速率方程中各反应物浓度项上的指数称为该反应物的级数；所有浓度项指数的代数和称为该反应的总级数，通常用n表示。13.链锁反应由热、光、辐射或者其他方法使反应引发，借助于活性组分（自由基或自由原子）相继发生一系列连续反应，象链条一样使反应自动发展下去三个基本步骤：–激发，反应粒子吸收能量形成自由基–传递，链传递过程，进行化学反应，反应速度取决于最慢链的传递速度•直链反应的传递过程自由基不增加•分支链反应的传递过程自由基增加–活化粒子的销毁，活化粒子碰壁或与其他低能量粒子接触，能量减小，不能进一步发生反应，气相销毁和碰壁销毁直链反应：反应产物中自由基的数目与反应物中自由基的数目的比值等于1.分支链反应：反应产物中自由基的数目与反应物中自由基的数目的比值大于1。由于链传递的过程中，消失一个自由基后会立即产生两个或更多的自由基，因而自由基的浓度迅速上升，反应链的数目迅速增加，导致总的反应速率惊人地增加例题：1.82.第四章燃烧物理学基础91.质量密度质量相对浓度C和Cs分别是总摩尔浓度和组分摩尔浓度;M和Ms和分别是混合气的平均分子量和组分的分子量摩尔相对浓度重要关系式：2.费克（Fick）扩散定律费克第一定律表述为：在稳定扩散传质过程中，组分i单位时间内通过单位面积的物质流正比于浓度梯度。多组分混合物：压力梯度形式：质量百分数形式：在多组分混合物中，通过一个微元表面，各组分扩散的物质流之和为零。3.无量纲准则104.一维扩散方程推导则有（化为一维）：（一维）则有（一维）115.等温直流自由射流自由射流：射流不受固体壁限制，喷向无限大空间，而且射流与周围介质具有相同的物理属性，又称自由淹没射流直流射流：射流不旋转，切向速度为零等温射流：射流温度梯度不变化结构特征：射流初始段：射流轴线速度仍保持初始速度的区段射流基本段：射流初始段以后的射流区段，轴线速度随着射流发展逐渐减小射流过渡截面：只有射流中心线上一点的速度仍保持初始速度的射流断面，是射流初始段和射流基本段的分界面6.旋转射流当从喷口喷出来的射流同时存在着向前的轴向速度、圆周向的切向速度和沿半径方向的径向速度时，这样的射流称为旋转射流。旋转射流最重要的流体力学特征在于：轴向、切向和径向三个方向上的速度都有相同的数量级大小而不容易忽略；这三个速度沿射流半径方向上的分布都不均匀。回流区在射流火焰中会有利于卷吸高温烟气加热冷流体，起到强化着火燃烧的作用；旋转射流强度可以用来表述旋流的强弱；旋流强度太小，不会产生回流区；旋流强度太大，射流会产生“飞边”现象；12旋流强度适中，产生合适的回流区。该回流区会随着旋流强度的增加而增大。7.比较第五章气体燃料的燃烧1.层流火焰：层流流动条件下的气体形成的火焰。火焰界面分明，火焰热强度小，结构相对简单湍流火焰：湍流流动条件下的气体形成的火焰。火焰界面不分明，火焰热强度大，结构相对复杂预混火焰：燃料和氧化剂在到达火焰面前已经充分混合，所形成的火焰透明短促，燃烧热强度大，但火焰稳定性差，容易回火或者脱火（吹熄）。扩散火焰：燃料和氧化剂在到达火焰面后混合，所形成的火焰发光变长，容易燃烧不充分，但火焰稳定性好，不容易熄火。2.预混气体自燃-绝热条件预混气体在反应过程中的释热率（产热率）可用下式表示：可燃气体吸收热量而升温，单位时间和容积内吸收的热量为：稳定条件下，Qg=Ql，，C=0时，T=Tf3.预混气体自燃-非绝热条件在不能维持稳定氧化的前提下，释热速度和散热速度相等的条件是自发着火的临界条件。谢苗诺夫非稳态热自燃理论：单位时间、单位体积内释放热量的速度：单位时间、单位容积内散失热量的速度：自燃的临界条件：13临界着火温度Tc和临界着火条件下环境温度T0c近似相等，，差值称为阿累尼乌斯温度。临界条件下压力pc和着火温度Tc、浓度CA的关系：4.热自燃理论的重要假定–化学反应为简单反应–着火前反应物浓度的变化忽略不计5.预混可燃气体的点燃理论临界点燃条件：，此时Tw称为临界点燃温度。点燃的零值梯度理论：平面火焰点燃：点火源为厚度d、温度Tw的无限大平板，可燃混气温度为T0。14临界火焰厚度（小于这个厚度将不能使可燃混合气体着火该临界厚度大约为稳定传播的火焰锋面厚度的2倍）临界点火能Ec——点火电极一定时，只有当放电能量大于有一个极限值时，混合物才能点燃（分析见作业）熄火距离sq——当电极间距小到某一极限值时，用任何物理上可能的能量都无法使混合物着火6.层流火焰传播速度的热理论热理论认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区域的热传导7.影响层流火焰传播速度的因素主要因素是混气的化学反应速率和热扩散系数可燃混合气体初温：压力：燃料／氧化剂混合比、燃料结构、添加剂8.层流火焰厚度预热区厚度反应区厚度层流火焰锋面厚度：159.层流火焰传播界限当u0降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火，称为淬熄。发生淬熄时的临界条件称为火焰传播界限。淬熄距离：当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离。10.湍流火焰分类小尺度湍流火焰：流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度大尺度弱湍流火焰：流体微团平均尺寸层流火焰面厚度；脉动速度w’层流火焰传播速度u0大尺度强湍流火焰：流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度；脉动速度w’层流火焰传播速度u011.湍流火焰表面理论的褶皱模型小尺度湍流火焰（2300Re60000）和大尺度弱湍流火焰可用表面理论来解释。uT=u0S’/S12.扩散火焰扩散燃烧过程：如果燃烧速率主要决定于其中较缓慢的混合和扩散，或称由扩散控制的燃烧过程，相应的火焰称扩散火焰动力燃烧过程：若混合和扩散远远快于化学反应速率，则该过程为化学反应控制的燃烧过程，相应的火焰称预混火焰，或反应动力控制火焰，或简称动力火焰过渡燃烧过程：燃料和氧化剂的相互扩散速率与化学反应速率较为接近，化学反应因素和扩散因素所起的作用相当1613.层流扩散火焰长度–管径增加，扩散火焰长度增加–气流流量增加，扩散火焰长度增加–扩散系数减小，扩散火焰长度增加–氧浓度减小，扩散火焰长度增加14.自由射流的扩散射流火焰（湍流）–射流初始速度增加，火焰长度不断增加–射流初始速度进一步增加，射流火焰长度不再增加，火焰的顶端开始不稳定，出现颤动–当速度再增加时，发展为带有噪声的湍动刷状火焰–最终，火焰面产生明显的折皱，发展为湍流射流火焰15.受限射流火焰受限制的湍流扩散火焰比层流扩散火焰短得多，从而受限湍流扩散火焰的空间燃烧释热率远大于受限层流扩散火焰通过大量的接近的小孔而不是少量的大孔供应的燃料和空气，可以增加湍动程度，减小火焰长度16.火焰稳定性使u0us，则火焰的开始着火点将不存在，发生火焰吹熄。工程上稳定火焰的方法：设置点火器；制造回流区；改变燃烧区的散热条件17.气体燃烧技术的分类预混燃烧技术、扩散燃烧技术、半预混燃烧技术预混燃烧技术：•燃烧时间取决于化学反应时间•过量空气系数小，燃尽程度高，几乎不存